Электронно-дырочный р-п переход, его формирование и свойства

При совмещении двух различных электропроводящих материалов (различающихся по величине удельного сопротивления или типу проводимо­сти) в единую кристаллическую решетку образуется электрический переход При переходе электрона из одного типа решетки в решетку другого типа нужно затратить некоторую порцию энергии, называемую работой выхода

Для различных комбинаций объединяемых кристаллических решеток работа выхода различна. В научной литературе работа выхода называется также электрохимическим потенциалом. Электрический переход не может быть создан простым механическим соединением, так как при таком соеди­нении не обеспечивается непрерывность пространства кристаллической ре­шетки. Электрический переход создается методами сплавления, диффузии из парообразной фазы, электролитическим осаждением и другими методами Электрическии переход между примесными полупроводниками с проводи-

мостью типа p и n называется электронно-дырочным переходом или p-n пе­реходом. Возможны также переходы между полупроводником типа p и ме­таллом: Me - p; полупроводником типа n и металлом: Ме-nи другие типы переходов. Параметры и характеристики перехода зависят от распределения концентраций примесей и геометрических размеров областей. По соотноше­нию концентраций основных носителей в слоях p и n переходы делятся на симметричные и несимметричные. Как правило слой p имеет большую кон­центрацию носителей заряда () в 100 - 1000 раз, а изменение величины концентрации от области p к области n может быть представлено графиче­ски.

Рисунок 4.

На данном рисунке 4

х₀ - металлургическая граница где Na = Ng

- область обедненная носителями заряда типа p

- область обедненная носителями заряда типа n

Если =, и = + - переход называется симмет­ричным. Рассмотрим процессы при образовании р-n перехода когда к нему не приложено внешнее электрическое поле, то есть переход находится в равно­весном состоянии.

  Рисунок 5.

Поскольку концентрация дырок «+» в области «p» больше чем в об­ласти «п», часть дырок из близлежащих к х₀ диффундирует в область «n». При этом в приграничной области возникает дефицит дырок, их концентра­ция понизится и на границе слоя останутся некомпенсированные отрица­тельно заряженные ионы. С другой стороны в области «n» из-за ухода элек­тронов останутся нескомпенстрованные положительные ионы. Таким обра­зом в приграничном слое образуется поле противоположно заряженных ио­нов, которые являются узлами кристаллической решетки и не могут изменить своего положения в пространстве х. Дырки, встречая на своем пути область положительно заряженных ионов отталкиваются и возвращаются в глубь об­ласти р. Диффузия дырок из «p» в «n» прекращается. Прекращается также диффузия электронов из «n» в «p».

Пространственные заряды (рис. 56) создают разность потенциалов U_K, которую называют потенциальным барьером или контактной разностью

потенциалов. Учитывая малые размеры по координате х (мкм)

может достигать значительных величин в сотни и тысячи вольт на метр. В

зоне и концентрация электронов и дырок падает до минимального значения и становится областью с очень высоким удельным сопротивле­нием. Однако поле пространственного заряда не препятствует, а

способству­ет движению неосновных носителей заряда что приводит к некоторому

уменьшению пространственного заряда, в р-n переходе наступает динамиче­ское равновесие и суммарная плотность тока в переходе равна нулю.

Практически контактная разность потенциалов для германиевых по­лупроводников равна 0,4В, для кремниевых а ширина L_o6 мо­жет быть определена по формуле 7.

где - диэлектрическая постоянная воздуха

- диэлектрическая постоянная полупроводника Так как в электрической цепи, состоящей из последовательно соеди­ненных источников ЭДС, суммарный потенциал может складываться или вычитаться в зависимости от полярности подключения так и в р-n переходе может быть два вида подключения: прямое, когда +Е подключено к р- области, -Е к n-области и обратное, когда +Е подключено к n-области и -Е к р-области.

При прямом подключении в р-п переходе появится дополнительное электрическое поле, уменьшающее его внутреннее поле. Потенциальный барьер уменьшается, результирующее поле U = U_K - вызовет уменьшение ширины 1_0б до значения 1₀

Если величина |U_к —U| >0 то переход будет иметь еще достаточно высокое сопротивление и через него будет течь небольшой диффузионный ток если величина |U_к —U| =0 то толщина перехода стремится к нулю. В этом случае через р-n переход будет течь в основном ток диффузии, назы­ваемый прямым током. Так как область «р» более высоколегированная то из «р» области в «n» область будут инжектироваться дырки, а потоком электро­нов, который в 1000раз меньше можно пренебречь. Инжекционный слой с малым внутренним сопротивлением называется эмиттером, а слой в который инжектируются неосновные для него носители (т.е. дырки в «n» область) на­зывается базой. База более высокоомный слой. Инжектированные в «n» об­ласть дырки рекомбинируют с электронами поступающими в объем полу­проводника под влиянием электрического поля (так как электрический ток в проводнике это есть движение электронов). Таким образом в приграничной к р-n переходу области течет ток диффузии, а в более удаленных от него час­тях полупроводника течет ток дрейфа. В целом кристалл остается электриче­ски нейтральным.

Через электронно-дырочный переход течет и обратный ток неоснов­ных носителей, т.е. электронная составляющая из «n» области в «р» область. Прямой 1_пр и обратный 1₀ токи связаны между собой соотношением, которое упрощенно можно выразить формулой 9.

При обратном включении «р-n» перехода, т.е. минусом к «р» области и плюсом к «п» области полярность внешнего электрического поля совпадает с полярностью контактной разности потенциалов, следовательно потенци­альный барьер возрастает, а l обедненная носителями заряда увеличивается, сопротивление диода сильно возрастает и прямой ток практически полно­стью прекращается. Но ток, обусловленный движением неосновных носите­лей несколько возрастает, так как электроны будут ускоряться в сильном электрическом поле, вытягиваться из своей области и перебрасываться в дру­гую. Такой процесс вытягивания зарядов называется экстракцией. Однако обратный ток в тысячи или десятки тысяч раз меньше прямого. Поэтому го­ворят, что р-n переход обладает выпрямляющим действием или вентильными свойствами, а поскольку в области р-n перехода образуется пространствен­ный заряд, то он также обладает и свойствами конденсатора, причем влияние емкости р-n перехода в электрических схемах проявляется в том случае, ко­гда напряжение на р-n переходе изменяется во времени. В этом случае кроме постоянного тока протекает дополнительный емкостной ток. Так как при этом изменяется величина барьерного заряда (имеется в виду значения и Q⁺), то емкость называется барьерной С_бар. По своей природе С_бар аналогична емкости плоского конденсатора, а так как толщина обедненного слоя изменя­ется в зависимости от напряжения, то С_бар есть функция приложенного об­ратного напряжения и эта зависимость называется вольтфарадной характери­стикой р-n перехода.

В случае прямого включения возникает диффузионная емкость С_диф, причиной которой является изменение концентрации инжектированных но­сителей зарядов в приграничных к р-n переходу областях вследствие процес­са диффузии. При изменении полярности эти носители заряда вытягиваются обратно, но процесс этот не происходит мгновенно, а экспоненциально в те­чение времени разряда. Наличие С_бар и С_диф сказывается на быстродействии переключения р-n перехода и определяет граничную частоту его работы f_rpaH.

§3. Контактные явления и полупроводниковые переходы.

Для того чтобы на основе полученной структуры р-n перехода изго­товить выпрямительный прибор (диод) необходимо к областям риn присое­динить два металлических проводника для монтажа требуемой электриче­ской схемы. При этом возникает электрический переход металл - полупро­водник соответственно для областей р: Me - р, области n: Me - n.

Исследова­ниями электрических процессов в подобных переходах занимался ученый Шотки. Он установил, что для перехода электрона из одной кристаллической решетки в другую электрону надо придать некоторую порцию энергии, назы­ваемую работой выхода. Например для перехода электрона из металла в по­лупроводник «п» типа требуется работа А_м, а для обратного перехода работа А_п. Шотки было установлено, что, если А_м > А_п, то в переходе Me - n образу­ется потенциальный барьер, а если А_м < А_п, то потенциальный барьер не об­разуется, контакт Me - n является чисто омическим, не обладающим вен­тильными свойствами. Аналогично для перехода Me - р оказалось что при А_М<А_Р потенциальный барьер образуется, а при А_м > А_р - контакт является омическим.

Отличительной особенностью выпрямляющего перехода Шотки от р-n перехода является отсутствие инжекции носителей заряда и их накопле­ния вблизи контактной области, вследствие чего переход данного типа обла­дает малой инерционностью то есть может применяться при быстрых изме­нениях полярности приложенного напряжения и соответственно имеет высо­кую рабочую частоту.

Самостоятельная работа.

Переход Шотки.

Рекомендуемая литература для самостоятельной проработки: В.Г. Гу­сев, Ю.М. Гусев «Электроника» с.. М. Высшая школа 1991 г.

Тема 1.2. Полупроводниковые диоды. §1. Классификация и конструкция диодов.

1. Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор, который, как правило, содержит один или несколько электрических переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Полупроводнико­вый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюс­ником, т. е. это электронный прибор с двумя выводами и нелинейной вольт- амперной характеристикой (ВАХ). В настоящее время наиболее употреби­тельной является классификация по областям назначения и применения:

1. Выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности для выпрямления переменного тока.

2. Импульсные диоды, предназначенные для работы в импульсных и переключательных схемах на частотах до сотен МГц.

3. Детекторы и переключатели ВЧ и СВЧ диапазона, а также диоды Ганна и лавннно-пролетные диоды.

4. Варикапы, применяемые в качестве электрически управляемой емкости.

5. Стабилитроны - диоды, предназначенные для стабилизации на­пряжения.

6. Туннельные диоды для генерации и усиления высокочастотных сигналов.

7.Фотодиоды.

8.Светоизлучающие диоды

9. Интегральные схемы на диодных элементах: сборки, диодные матрицы, выпрямительные мосты, знаковые индикаторы, диодные оптроны, светодиодные матрицы (экраны) и т. п.

10. Магнитодиоды.

2.Принцип действия.

Выпрямительные и импульсные диоды используют свойство одно­сторонней проводимости р - n перехода. Специальные типы полупроводни­ковых диодов используют различные свойства р - n переходов: явление про­боя, барьерную емкость, наличие на ВАХ участков с отрицательным сопро­тивлением и другие.

Рассмотрим выпрямительные диоды. Конструктивно они делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффу­зионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади р - n перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых постоянных токов или сравнительно кратковремен­ных импульсов средних токов.

Первоначально было налажено изготовление точечных диодов. У то­чечных диодов электронно-дырочный переход образован контактом заост­ренной металлической иглы. При этом на качество и параметры р - n перехо­да влияют свойства окружающей среды, чистота поверхности кристалла так как слой р-типа образуется в кристалле полупроводника в результате термо­диффузии акцепторных примесей с конца металлической иглы, возникающей под действием больших импульсов тока, пропускаемых через контакт. Площадь такого контакта менее 50. Поэтому прямые токи не могут быть более десятков миллиампер. Таким образом, эта технология применима для производства импульсных диодов с малыми значениями 1_{пр ср}. При этой тех­нологии также трудно добиться однородности параметров диодов.

7. Для изготовления более мощных выпрямительных диодов исполь­зуются плоскостные диоды, изготавливаемые сплавным или диффузионным методом. При изготовлении кремниевых сплавных диодов в кремний «n» ти­па, выполняющий роль базы, вплавляется тонкая алюминиевая проволока при температуре 600 - 700°С. В месте сплава формируется тонкий обога­щенный AI рекристаллизованный слой кремния с проводимостью р-типа. Та­кие диоды пропускают прямые токи до десятков ампер. Площадь перехода у таких диодов значительно больше. Выбор в качестве базы полупроводника п- типа предпочтительнее так как подвижность электронов больше подвижно­сти дырок, что позволяет несколько снизить концентрацию примесей и тем самым повысить пробивное напряжение при обратном включении.

7. При диффузионном методе изготовления диодов примеси в полу­проводник вводятся диффузией из газовой среды. Для этого пластинка крем­ния Si помещается в печь, где производится испарение легирующего мате­риала, а пластинка полупроводника нагревается до температуры, близкой к

температуре плавления (для Ge 950°С, Si 1400°С). Атомы примесей из газо­вой фазы осаждаются на поверхности полупроводника и образуют тонкий слой с проводимостью другого типа. Затем пластинкам придают требуемую

форму и габариты. Площадь полученного кристалла может быть от тысячных долей до нескольких. Диффузионный метод позволяет обеспечить

хорошую воспроизводимость параметров диода.

5. Эпитаксиальные диоды изготавливаются с использованием техно­логического процесса эпитаксии и локальной диффузии. Эпитаксией называ­ется процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку опреде­ленной кристаллической ориентации, используемую как несущую конструк­цию системы (фундамент). Эпитаксия позволяет выращивать слои любого типа проводимости. Для осаждения примесей на подложку через маску ис­пользуются процессы осаждения из парообразной фазы, термическое испаре­ние и т. п.

Этим методом изготавливаются кремниевые эпитаксиадьные диоды с металлической подложкой (т. е. диоды с барьером Шотки), обладающие по­вышенным частотным диапазоном. Структура диода Шотки дана на рис. 6

6. Принцип действия диода основан на том, что в прямом включении через

р - n переход течет большой ток и так как сопротивление р - n перехо­да отлично от нуля, то на переходе имеется падение напряжения U_np. Если приложить к переходу напряжение, включенное в обратном направлении, то ток через переход уменьшится в сотни и тысячи раз, потому что движение основных носителей заряда через р - n переход невозможно из-за высокого потенциального барьера, а концентрация неосновных носителей заряда, для которых обратное напряжение будет ускоряющим и прямым на несколько (порядка) меньше основных носителей. В зависимости от конкретного ти­па диода обратный ток может иметь несколько составляющих - это тепловой ток собственного полупроводника, токи генерации - рекомбинации и т. п. У германиевых диодов I_обр I_т, у кремниевых I_обр I_т, т. е. кремниевые дио­ды обладают более высокой температурной стабильностью.

7. Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров.

К статическим относятся:

1. Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока - U_np.

2. Обратный ток 1_обр при некотором значении U₀6_P-

3. Среднее значение прямого тока I_ср.

4. Импульсное обратное напряжение.

К динамическим параметрам относятся:

4. Время восстановления обратного напряжения t_B0CT.

4. Время нарастания прямою тока I_пр - t_Hap-

4. Предельная частота без снижения параметров диода f_MaKC, обычно это такая частота, при которой величина выпрямленного тока уменьшается

не более чем в раз.

Дополнительно могут указываться или определяться:

Которая может быть упрощена для конкретного типа и схемы вклю­чения.

Виды электрических пробоев р-n переходов диодов.

Если на ВАХ диода величина приложенного обратного напряжения превысит допустимое значение, то произойдет пробой р-n перехода.

Под пробоем р - п перехода понимают значительное уменьшение обратного со­противления, сопровождающееся возрастанием обратного тока при увели­чении приложенного напряжения.

Различают три вида пробоя:

· туннельный,

· лавинный

· тепловой.

В основе «туннельного» пробоя лежит туннельный эффект, т.е. «просачивание» электронов сквозь потенциальный барьер высота которого больше чем энергия носителей заряда. Туннельный пробой возникаем при ус­ловии очень узкого р — п перехода, имеющего малое значение удельного со­противления и бгольшую напряженность электрического поля до см. При таких условиях энергетические зоны искривляются настолько, что энергия электронов валентной зоны полупроводника р — типа становится равной энергии электронов зоны проводимости п - типа.

На диаграмме видно, что энергетический уровень «—» ЗП п = энерге­тическому уровню «—» ВЗ р.

В результате перехода электронов из области р в область п возника­ем туннельный ток.

Начало туннельного пробоя оценивается по десятикратному увели­чению обратного тока. Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происхо­дит под действием большой величины обратного напряжения. Неосновные носители, движущиеся через р - п переход, ускоряются настолько, что при

соударении их с атомами происходит ионизация атома и появление допол­нительной пары электрон - дырка. Вновь появившийся электрон попадает под действие ускоряющего поля и вызывает ионизацию следующего атома и т. д.

В процессе лавинной ионизации соответственно увеличивается об­ратный ток, величина которого ограничивается только внешним сопротив­лением. Для количественной характеристики лавинного пробоя вводится ко­эффициент лавинного умножения М_п, который показываем во сколько раз лавинный ток больше обратного тока:

Для германиевых и кремниевых диодов практически величина М = 3 5.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках с дос­таточно большой шириной р — п перехода.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева р - п перехода, когда количество теплоты, выделяемой в р - п переходе больше количества теплоты, отводимой от перехода. При разогреве р - п перехода происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и рост обратного тока, что вызывает дальнейшее разогревание перехода и его лавинообразный ток с коэффициентом М > 3+5.

При разогреве происходит расплавление структуры р - п перехода и его разрушение.

Перечисленные виды пробоя могут наступать поэтапно один за дру­гим. При этом В АХ имеет вид:

1 — лавинный пробои

2 - туннельный пробой

3 - тепловой пробой

Следует отметить, что туннельный эффект используется в тун­нельных диодах, лавинный пробой в стабилитронах и динисторах.

Выпрямительные и импульсные диоды имеют У ГО по ГОСТ 2.730 73.

а		б
в

Рисунок 11

Импульсные диоды.

В отличие от выпрямительных диодов импульсные диоды имеют ма­лую длительность переходных процессов, что обеспечивается малыми емко­стями р - п перехода (пикофарады). Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р — п перехода, поэтому импульсные диоды име­ют небольшие допустимые мощности рассеивания.

К основным параметрам импульсных диодов относятся:

1. Общая емкость диода С_д, (пикофарады)

2. Максимальное импульсное прямое напряжение U_{np макс}

3. Максимально допустимый импульсный ток 1_прмакс

4. Время установления прямого напряжения диода t_vcm. Это интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на нем.

5. Время восстановления обратного сопротивления диода t_eoc - ин­тервал времени, прогиедший с момента прохождения тока через нуль до момента когда обратный ток достигнет заданного малого значения.

Рассмотрим процессы, происходящие в импульсном диоде. Импульс - это кратковременное отклонение величины напряжения или тока от его ну­левого или какого-то постоянного значения. Кратковременное - значит та­кое, которое может многократно изменяться за время наблюдения.

Рассмотрим схему и временные диаграммы:

в момент времени to VD1 закрыт, т. к. на него подано Uобр, через VD1 течет небольшой ток Iобр.

В момент t1 на диод подается прямое напряжение, а при прямом смешении в базу диода (область п) инжектируются дырки, концентрация которых превышает равновесную и ее изменение по х определяется форму-

Инжектированные дырки диффундируют в глубь базы где их кон­центрация по мере удаления от р - п перехода уменьшается из-за рекомби­нации. Время, в течение которого происходит перераспределение концен­траций определяет инерционность процессов в прямом включении. С воз­растанием концентрации «+» уменьшается сопротивление вблизи р — п пе­рехода до величины определенного стационарного значения, называемого прямым сопротивлением диода R_np. Начиная от момента t через диод и течет ток:

причем R_np изменяется от R_{np нач} до R_{np vcm} по экспоненте так же как происходит изменение концентрации дырок. При этом в каждый момет t1, = I_npR_np. Принято считать интервал времени от t1; до момента, когда U_np на VD1 уменьшается до значения равного 1,2 U_vcm временем установле­ния прямого напряжения t_ycm.

В момент t1 на диод подается U_обр Инжекция прекращается и начи­нается процесс рассасывания неосновных носителей, которые рекомбинируют с основными дрейфуя в направлении р — п перехода, т. е. происходит разряд объемного заряда. Поэтому 1_обр VDI от момента t₃ до t₅ имеет вели­чину, большую чем I_обр установившегося режима и сохраняется до того мо­мента. когда концентрация неосновных носителей не станет равной «0». В интервале t₄ - t₅ концентрация носителей убывает по экспоненте за счет рекомбинации пока ток не достигнет 1_обр. В целом интервал t₄ - t₅ называет­ся временем восстановления обратного сопротивления. Очевидно, что нако­пление неосновных носителей связано с величиной емкости р — п перехода С_диф и ее перезарядом.

В высокочастотных схемах t_vcm и t_eocm должны быть как можно меньше. Для этого базу диода надо делать как можно тоньше или вводить специальные добавки, которые улавливали бы неосновные носители. В таких схемах используются мезадиоды, или диоды Шотки с переходом Me - п/п.

Стабилитрон.

Разновидность диодов, предназначенных для стабилизации напряже­ния. Принцип стабилизации заключается в том, что в полупроводниковом кристалле (как правило кремниевом) сильно легированным примесями в обеих областях с тонким и резко выраженным р — п переходом, при подаче обрат­ного напряжения быстро развивается и устанавливается электрический пробой, при котором значительное увеличение обратного тока (т. е. тока пробоя) происходит при сравнительно низком и примерно постоянном (слабо изменяющемся) обратном напряжении, величина которого варьируется для каждого конкретного тока стабилитрона.

Выбор кремния в качестве материала для полупроводниковых стаби­литронов обусловлен малым обратным током для полупроводниковых дио­дов из кремния. При этом саморазогрев диода в предпробойной области от­сутствует и переход в нее происходит очень резко. В то же время в облас­ти пробоя, даже при большом токе, нагрев диода не носит лавинообразного характера, так как в кремнии ток 1₀ слабо зависит от температуры разо­грева. Поэтому рабочий участок ВАХ стабилитрона идет почти верти­кально и не имеет отрицательного наклона, характерного для теплового пробоя.

На В АХ рабочий участок аб характеристики идет почты вертикаль­но и не имеет отрицательного наклона, связанного с тепловым пробоем. Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным в за­висимости от удельного сопротивления базы, т.е. от номинала стабилизи­руемого напряжения. Из данной ВАХ стабилитрона видно, что прямой ток в зависимости от напряжения изменяется так же как у обычного диода. Ветвь обратного тока характеризует рабочий режим стабилитрона. Ра­бочим участком стабилизации является диапазон от I_мин до I_макс в области электрического пробоя. Изменение тока происходит при и_{стабилизсщии} слабо зависящем от тока пробоя.

Схема включения стабилитрона обратна схеме включения выпрями­тельного диода:

1. Номинальное напряжение стабилизации (1 400 В)

2. Минимальный 1_{ст мин} и максимальный 1_{ст макс} токи стабилизации

3. Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации

Разновидностью стабилитронов являются стабисторы, работаю­щие на прямом участке ВАХ, что позволяем обеспечивать стабилизацию малых напряжений в диапазоне от О,35 В до 2 В.

На основе диода, стабилитрона, стабистора можно создавать ком­бинированные схемы с требуемыми характеристиками. Например:

Буква «В».

Варикап предназначен для использования в качестве электрически управляемой емкости. Принцип работы варикапа основан на использовании зависимости емкости электрического перехода от напряжения. Электриче­ский переход варикапа может иметь сложную структур) типа р — n — n или p — i — n, МДП и другие. Емкость варикапа имеет максимальное значение при низком напряжении и минимальное при высоком. Варикапы применяют для осуществления частотной и амплитудной модуляции, в схемах автопод­стройки частоты, для перестройки резонансной частоты контура. В СВЧ диапазоне варикапы называются варакторами. Варикапы имеют обозначе­ния: Д900 + цифра номера разработки + буква разновидности параметров. Или KB + 100 + цифра номера разработки + буква группы. Электрическая характеристика варикапа называется вольт-фарадной характеристикой.

Самостоятельная работа.

Определение параметров диодов по ВАХ. Плоскостные и точечные диоды. Диод Шотки.

Рекомендуемая литература для самостоятельной проработки Ф.И. Вайсбурд и др. Электронные приборы и усилители. М КомКнига 2007 стр.41-59.

Тема 1.3. Биполярные транзисторы.

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводни­ковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, при­годный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действии транзисторы разделяются на два больших класса: биполярные и полевые (униполярные). В биполярных тран­зисторах физические процессы определяются движением носителей зарядов обоих знаков - как основных так и неосновных. В полевых используется движение носителя одного знака (основной носитель заряда).

В технической документации биполярные транзисторы изображаются в соответствии с требованиями ГОСТ 230 - 73 рис.20.

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n - р - n или р - n - р, которые соответственно называются: эмиттер, база, коллектор. Эти области разделе­ны двумя взаимодействующими между собой р - n переходами: эмиттерным и коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благо­даря тому, что расстояние между ними (т. е. толщина базы) много меньше диффузионной длины пробега неосновных носителей в базе. К полупровод­никовым областям подведены омические контакты и внешние выводы. Не­обходимо отметить, что в зависимости от полярности подаваемых на выводы транзистора напряжений, транзистор может работать в трех режимах:

при работе в активном режиме на эмиттерном переходе прямое напря­жение, на коллекторном - обратное;

в режиме отсечки, (или запирания) - на обоих переходах - обратное напряжение;

в режиме насыщения - на обоих переходах прямое напряжение.

С точки зрения физических процессов работа транзистора основана на двух явлениях:

1. инжекция - введение с помощью вспомогательного (третьего) электрода электронов или дырок в обедненный слой р - n перехода, к кото­рому приложено обратное напряжение;

2. экстракция - извлечение, удаление, явление обратное инжекции, заключающееся в вытягивании носителей заряда из объема полупроводника.

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере структуры n - р - n рис.21.

В активном режиме при подаче U_K коллекторный переход смещается и обратном направлении, и через него течет небольшой ток I_К0 - обратный ток коллектора. При подаче U„ происходит прямое смещение эмиттерного перехода и течет ток эмиттера за счет диффузии электронов (и дырок), т.е.   При этом I_эп» I_эр по той причине, что область базы в транзисто­рах делается менее легированной примесями и имеет соответственно мень­шую концентрацию основных носителей, т.е. дырок. Из этого следует также,

что область базы наиболее высокоомная область в транзисторе. Отношение тока основных носителей к полному току эмиттера:

и называется коэффициентом инжекции.

  и называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Этот коэффициент показывает, какая часть тока эмиттера замыкается через коллектор, следовательно, остальная часть замыкается через область базы. Тогда:

Инжектированные из эмиттера в базу электроны смещаются в на­правлении коллектора, т.к. область базы очень тонкая. Приближаясь к кол­лекторному переходу электроны как неосновные носители переходят из базы в коллектор за счет явления экстракции, так как попадают в ускоряющее поле +U_K. Некоторое количество электронов успевает рекомбинировать в области базы, т.е.

называется статическим коэффициентом передачи тока базы.

В целом при работе транзистора в активном режиме происходят сле­дующие процессы. Под влиянием приложенного в прямом направлении на­пряжения в области эмиттер-база потенциальный барьер понижается, и на­чинается диффузия электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер, через переход течет ток. К коллекторному переходу включено напряжение в обратном направлении и на коллекторном переходе имеется высокий потен­циальный барьер, поэтому затруднен ток дырок в коллектор и электронов из коллектора в базу. В то же время электроны, поступающие из эмиттера в базу

становятся там неосновными носителями. Их концентрация в базе пре­вышает возможное количество рекомбинаций, так как база менее легирована и большая часть электронов достигает коллекторного перехода, так как база выполняется достаточно тонкой. На границе коллекторного перехода элек­троны попадают в сильное ускоряющее поле за счет ЭДС источника и уходят через омические контакты во внешнюю цепь. В то же время из внешней цепи источника электроны поступают в область эмиттера в количестве, компенси­рующем их уход из коллектора.

В транзисторе р-n-р в этом случае в коллекторном переходе пре­обладает ток дырок, которые компенсируются поступающими из внешней цепи электронами.

В зависимости от технологии изготовления транзисторов концентра­ция примесей в областях р и n может быть распределена равномерно во всем объеме области или неравномерно. При равномерном распределении внут­реннее электрическое поле отсутствует (нет градиента примесей). В этом случае неосновные носители, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называются диффузионными.

При неравномерном распределении концентраций р примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле и неосновные носители в ней дви­жутся в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф является преобла­дающим. Такие транзисторы называются дрейфовыми.

У обоих типов транзисторов область базы является более высокоомной и достаточно тонкой с тем, чтобы ее ширина была много меньше диффу­зионной длины L; как правило, ширина базы выбирается в пределах:

W «0,2 L

Как уже отмечалось ранее, транзистор может работать в трех различ­ных режимах и, как любой р - n переход, может изменять свои геометриче­ские и электрические параметры под действием приложенного прямого или обратного напряжения.

Три схемы включения транзистора. В зависимости от того, какой электрод является общим для входного и выходного сигналов различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Дата добавления: 2014-01-03